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1、江苏理工学院毕业设计说明书（论文）基于ZigBee技术的家居环境监测系统的设计与实现摘 要：环境是人们赖以生存的必要条件，随着现代化信息技术的迅猛发展和提高，人们对自己的生活环境有了更高的要求，希望自己的生活环境健康、舒适。近些年，特别是人类在信息技术上的快速发展，使得各种无线通信技术有了前所未有的突破，无线技术在智能家居上的应用将越来越广泛。因此，本文利用ZigBee技术设计出了这种无线家居环境监测系统。该系统中，传感器节点（即终端节点）可以选择温度、湿度、亮度等传感器，并且可以根据需求添加或减少传感器节点。所以本文无线网络终端模块选用的CC2530芯片为平台，以实现信息数据的接收与发送。此
2、芯片内置8051内核的单片机内核，并有一定的内存空间，故只要加上些少许外围电路就可以实现功能，无需再加单片机。在数据接收端（即协调器节点）收到的数据处理传送到PC机上显示。为了让用户方便监测数据，本文在PC机上设计了显示界面，让人们更加方便操作及监测数据。本系统运行可靠，能正确获取环境数据，实现实时监测。关键词：ZigBee;无线传感器网络;环境监测;智能家居1DesignandRealizationofHouseholdEnvironmentMonitoringSystemBasedonZigBeeTechnologyAbstract：Environment is a necessary c
3、ondition for survival. With the rapid development and improvement of modern information technology, people have higher requirements for their living environment. They hope they live healthily and comfortably. During recent years, especially the quick development of information technology which enabl
4、es all kinds of wireless communication technology to improve unprecedentedly. So,the thesis utilizes ZigBee technology to exploit and design the wireless home environmental monitoring system. In the system, the sensor node(as well as terminal node) can choose temperature, humidity, brightness etc. T
5、herefore, the wireless network terminal module of the thesis choose the CC2530 chip as the platform for realizing receiving and sending of the information data. The chip has a single chip with 8051 core and has certain memory space. Thus, it can realize its function by adding a little peripheral cir
6、cuit without extra single chip. The received data processing in the data receiving terminal(that is coordinator node) send to PC for peoples real-time monitoring. The thesis designed the display interface in PC for peoples operation and data monitoring conveniently. The system works reliably which c
7、an obtain correct environmental data and realize real time monitoring.Keywords： ZigBee;Wireless sensor networks; environmental monitoring; smart homeII目录前言1第1章 绪论21.1 本文的研究背景21.2 智能家居环境监测系统的特点21.3 本文主要研究内容31.4 开发工具及开发环境的介绍31.4.1 系统软件开发环境介绍41.4.2 上位机软件开发环境介绍5第2章 ZigBee技术的概述72.1 ZigBee技术的概念72.2 ZigBee
8、技术的特点82.3 ZigBee网络设备组成和网络结构82.4 ZigBee的协议分析102.4.1 网络层（NWK）102.4.2 应用层（APP）112.5 本章小结12第3章 系统的总体设计133.1 系统结构133.2 系统功能定义133.3 系统设计要求153.4 本章小结15第4章 系统的硬件设计164.1 ZigBee硬件选型164.2 节点硬件设计184.3 本章小结21第5章 系统的软件设计及实现225.1 软件部分总体介绍225.1.1 软件设计整体流程225.1.2 协调器的自动组网流程225.2 协调器节点软件实现255.3 传感器节点软件设计275.4 本章小结28第
9、6章 上位机软件实现及测试296.1 上位机软件实现296.2 软件测试306.3 本章小结32结束语33参考文献34致谢35前言自人类诞生以来，人们一直都在努力改善和提高着自己的生活和居住条件。随着工业革命和信息技术革命的成功，进入21世纪后，人类的各种技术包括通信技术、计算机网络、控制理论、互联网等都有了很大的发展，另外，经济的发展也使我们都希望居住在一个舒适的家居环境中，只有这样我们的生活才会更好，身体才会健康。由于人们又了这种想法，由此智能家居(Smart Home)1系统也就越来越多的被人们所重视了。研究人员希望能通过这种新的技术将家居中各种智能化的设备、家用电器和家庭安防设备等整合
10、一个智能化的系统上进行资源共享、分析、控制和管理这些设备，控制这些设备来对家居中的环境参数符合人们舒适居住使用的要求，营造一个良好的环境2，从而可使用户能够居住在一个更高要求的环境中。本文研究设计了一种智能家居环境监测子系统，实现对家庭环境的实时监测，实时为用户提供可靠并且全面的环境信息。智能家居系统中一个非常重要的部分就是本文所研究的环境监测子系统。在这个系统中，人们可以获得实时的居住环境信息，如温度和湿度、各种有害气体的浓度、光照强度、火灾信息等。同时，此系统中传感器所得到的环境参数可以为其它家居设备做决策参考，最终由智能家居系统实现对家庭环境的智能调节，比如，当测量到的光照强度高于用户设
11、定的一定值的时候，系统就将启动自动窗帘系统的马达，自动将窗帘关到一定程度，以降低室内的光强度，适合居住；又如，当温度值偏低时，系统就将启动空调设备进行工作，来增高室内温度。因此，智能家居系统为用户提供了安全、舒适、便捷生活的环境，从而使环境监测子系统成为了智能家居系统的一个非常重要关键部分与基本环节，能否拥有一个好的智能家居系统的关键在于能否设计出好环境监测子系统，这对改善人们生活环境的舒适度具有非常重要的意义。第1章 绪论1.1 本文的研究背景随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，对监控数据传输的实时性、数据接口的开放性以及数据链接的安全性的要求越来越高，有线
12、控制网络的局限性也越来越突出，无线的优势也越来越明显。其中ZigBee短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，在工业控制领域中展现了深厚的发展潜力2。将设备数据采集之后再通过无线ZigBee网络进行传输是ZigBee技术在工业现场环境中的一种应用，这种新兴的技术必将给工厂现代化注入新的活力。传统的工业数据采集与控制系统，其数据传输一般以工业控制总线作为介质，以致大都局限于本地的近距离范围之内应用。随着国民经济发展，企业及机构的管理规模不断扩大，其需要管理与控制的对象更趋多样性，甚至具有流动性，分布的范围也涉及到不同的地域。为了对这些分散的对象进行有效的集
13、中管理，对远程及移动数据采集与控制的需求也就日益迫切3-4。ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用的便捷性是该技术成功的关键，它适用于短距离小范围的基于无线通信的控制领域，必将在工业自动化等领域得到广泛的应用5。数据采集技术已经相对成熟，将它重新构建于ZigBee网络平台之上，将成熟技术的稳定性和新技术的便捷性充分结合起来，这种结合对于工业现场十分必要。减少了在某些场所有线网络布线以及工人人工采集数据的不便，同时可以方便的于各种传感器搭配用于不同的场合6。 1.2 智能家居环境监测系统的特点无线环境监测系统拥有全面、可靠的环境信息采集分析能力。为了实现环境信息监
14、测的精确性、全面性并且方便使用，本文的环境监测系统应具有以下各种特点：(1) 多对象监测环境监测系统需要检测多种环境信息，如：温度、湿度、有害气体浓度、光照强度等。这样才能为用户提供全面的环境信息参考。(2) 多点监测需要对同一环境参数在不同地点和不同时间分别进行测量，这是因为环境中各种环境信息不同的时间和空间上分布不具有均匀性，由此实现监测的全面性和高精度性，甚至有时需要对同一环境参数在多点进行测量。(3) 系统灵活当有新的环境参数被要求测量时，系统的可扩展性要求灵活，方便增加节点，以降低成本。1.3 本文主要研究内容随着我国经济和科技的迅猛发展，人们的生活水准越来提高，日常家居的环境更受到
15、了人们的关注。近年来随着家庭装修时工业板材及其他有毒气体释放源的使用，室内的环境不容乐观。这就要求有各种有害气体监测功能的家居环境监测系统介入，为我们营造一个安全健康的家居环境。此课题旨在设计出一款能够快速、实时、准确连续地测出空气中温湿度、一氧化碳、光照强度等的环境监测系统，使用基于ZigBee 短距无线通讯技术，环境信息采集模块与显示终端实现无线通信，省去了传统布线的麻烦。根据以上介绍，本文的主要研究如下：(1)ZigBee协议的介绍。主要介绍了ZigBee协议中各个部分的组成和数据结构，并对各层中的重点内容进行了详细的分析；(2)本文以无线传感网络为基础，以ZigBee技术纽带，详细设计出的家居环境监测系统中的两种节点-协调器节点（控制中心）和传感器节点。在协调器节点中，本文实现了电源、串口通信、PCB天线等主要电路的设计；而在传感器节点中，由于其与协调器类似，故仅针对不同的环境信息，设计出了不同的传感模块；(3)本论文还设计了串口调试操作界面，可以方便用户的调试和使用，由此用户就可以实时的了解到家庭中个中环境信息的参数。1.4 开发工具及开发环
